3.5 调制器

正如前文所述，实现GC×GC分析的关键在于两根色谱柱之间的接口，即调制器。因此调制器也被称为GC×GC的核心。调制器的主要功能在于周期性地将 ¹ D色谱柱馏出物中的分析物捕集，再聚焦成一个狭窄的谱带，并进样到 ² D上。因此，这一装置既要保证以较高的速率从 ¹ D取样并将样品传递到 ² D，同时又不能违背Giddings的守恒定律。为了保证在 ¹ D获得的分离不损失，从调制器馏出的片段宽度必须小于 ¹ D峰宽的四分之一。因此，调制器对 ¹ D每个峰的切割次数通常至少为 3 次，因此 P _M 一般为2~8 s。快速的采样使得原始 ¹ D分离得到了保留，而 ² D分离必须在下一个 ¹ D馏出物片段进样前完成，以减少或避免峰迂回现象的发生。

调制器上的聚焦效应通常可使得GC×GC的灵敏度有所提高。Lee等将GC×GC-FID与GC-FID的分析结果比较发现，GC×GC-FID的灵敏度比GC-FID提高了4~5倍，而将GC×GC-ToF-MS与GC-MS的分析结果相比，GC×GC-ToF-MS的灵敏度比GC-MS提高了2~5倍。使用GC×GC-μECD也可以得到类似的结果，灵敏度为GC-ECD的3~5倍。在实际应用中，调试器的聚焦步骤降低了分析物的色谱峰宽，从而提高了峰高，如图3-4所示。

目前，已经有几种不同的调制器进入了商品化的阶段，主要可以分为以下两大类：热调制器和阀调制器。其中，热调制器最常用，指的是通过控制温度来捕集 ¹ D馏出物并通过再次进样的方式传送到 ² D的调制器，并可以继续分为两大类：加热型调制器和冷阱型调制器。阀调制器指的是通过气流来控制并将 ¹ D馏出物切割分开，然后通过再次导流将其传送到 ² D的调制器。

不论哪种调制器，一般均使用以下四个参数来评价其性能：占空系数、调制周期（ P _M ）、进样脉冲宽度和由 ² D分离带来的最终峰容量。

占空系数定义为从 ¹ D传送到 ² D的分析物占比。例如，将所有 ¹ D馏出物均传送到 ² D色谱柱的调制器占空系数为1.0。所有热调制器的占空系数均为1.0，而阀调制器的占空系数为≤1.0（即所有或仅有一部分 ¹ D馏出物被传送到 ² D和检测器），具体数值取决于其系统设计。当占空系数≤0.5时，可以称为低占空系数调制器。

P _M 为两次调制之间的时间，是调制器性能评价的重要指标。 P _M 一般为1-10 s，已有文献报道的最低值为 50 ms。对于调制周期的要求见 6.2.1小节。

GC×GC分离的最佳操作在于获得最大的峰容量。在GC×GC中，峰容量的定义和计算方法见2.8小节。获得最大峰容量的关键就在于调制器。一般来说，如果需要GC×GC提供1DGC 10倍的峰容量，就需要调制器对1D峰进行2—4次的调制。

3.5.1 热调制器

热调制技术是GC×GC中使用较多的一种调制方式，在 ¹ D色谱柱和 ² D色谱柱之间以固定频率反复施以高温和低温，使 ¹ D馏出物在该段位置产生周期性的冷凝聚焦和释放，从而实现对 ¹ D峰的调制。热调制技术相对于阀调制，调制效果更好，分辨率更高，而且载气流量保持不变，适合连接质谱检测器，另外冷凝聚焦过程中可以对分析物进行浓缩，灵敏度也有所提高。热调制技术已经成为目前应用最广泛的一种GC×GC调制方法。

3.5.1.1 加热型调制器

1985年，Phillips课题组发表了第一篇关于热调制器的研究报道。当时，调制器的原理尚未运用到GC×GC领域，而只在所谓多重GC概念中，不需对低浓度分析物进行预富集的顶空取样。随后，在进样中研发了柱上热解吸调制（TDM），为高速GC提供较窄的进样脉冲。TDM目前已发展成为一个必不可少的接口装置，用于GC×GC的两根色谱柱之间。TDM装置包括一小段色谱柱，以电流通过电导膜的方式快速且稳定地加热色谱柱。首先，在两根色谱柱之间使用一段膜厚较薄的毛细管柱，覆盖一层导电涂料作为调制接口。通过电阻加热的方式将保留在此调制器中固定相上的分析物脉冲进入 ² D色谱柱。导电涂料的低热质这一优点使得调制器的加热和冷却过程都能在极短的时间内完成。调制器产生的一系列电脉冲在 ² D色谱柱上产生了一系列样品流的浓度脉冲。TDM装置的主要缺陷在于这些浓度脉冲没有经过聚焦这一过程，到达调制器的分析物以一个相对较大的进样塞的形式直接进入了 ² D色谱柱。

为了解决再聚焦这个问题，随后诞生了一种双级捕集器。两个捕集装置依次变换操作。当一个捕集器温度较高时，另外一个捕集器温度较低，反之亦然。但是，这种调制器的稳定性不佳，主要是因为所覆涂料的再现性不足，同时操作也较为复杂。

Phillips等进行了更深入的探索，对热调制器进行改进并形成了“扫帚”式的调制器（Sweeper），如图3-4所示。

在此技术中，通过施加和移走热源，而不是直接加热色谱柱的方式来加热和冷却调制器中的毛细管柱。“扫帚”式调制器使用一段用于捕集分析物的液膜较厚的毛细管柱作为调制管，通过机械地挥动高于柱温箱温度100℃的内置式加热器，来获得尖锐的化学脉冲。这一多级旋转式热调制器在分析物进入 ² D之前同时实现了捕集和再聚焦，可对调制区域和 ² D进行独立的温度控制，已经在很多样品的分析中得到了应用。这是GC×GC领域第一款商品化的调制器，但是在机械调制方面仍有一些缺点，无法作为常规方法使用。

这两种调制器都有明显的缺点。在实际操作中，无法通过加热捕集器捕集挥发性化合物。此外，为了防止用于捕集的毛细管柱中固定相热降解，最终柱温箱温度必须比固定相最高使用温度低100℃。因此， ¹ D色谱柱的最高温度只能达到230℃，大大限制了可分析的化合物范围。同时，操作条件，包括挥动速度、停顿时间、固定相膜厚、柱温箱和加热器的温差等参数的优化非常复杂，需要耗费大量时间和精力。在2003年之前发表的与GC×GC相关的文章中，大约有30%都使用了这种“扫帚”式的调制器，但是到2010年左右时已经不再使用，也没有继续推出商品化的产品。

此外，文献中还报道了一些其他的加热型调制器，但这些调制器仍然存在相同的缺陷，也没有大量的应用报道。

3.5.1.2 冷阱型调制器

基于TDM调制器的原理和改进，20世纪90年代末期出现了新一代的调制器，使用降温而不是加热的方式来创造所需的脉冲效应，并致力于减少或完全消除移动部件的使用，冷阱型聚焦方式从此产生，并最终在所有研究和应用中取代了加热型调制器。

纵向调制冷阱系统（Longitudinal Modulated Cryogenic System，LMCS）（图3-6）由Kinghorn和Marriott在1999至2000年间提出。LMCS将一个移动的冷阱（Cryotrap）套在需要调制的色谱柱上，冷阱内可用液态二氧化碳对色谱柱局部进行制冷，冷阱套以外的色谱柱放置在色谱仪的柱温箱内部被加热。通过冷阱套的上下移动，对不同部位的色谱柱进行反复加热制冷从而完成调制。这一方式加热和制冷都十分快速有效，能产生非常理想的调制峰宽，大大增强了GC×GC的实用性。LMCS的出现让众多色谱学者开始使用GC×GC技术，发表了大量以此技术为基础的分析应用，对GC×GC的发展产生了深远的影响。

图3-6为LMCS工作原理图。LMCS为典型的冷阱型调制器，可以沿着色谱柱进行纵向移动，在 ² D色谱柱最开始的几厘米对分析物进行聚焦。在实际应用中，通过液态二氧化碳喷射口对色谱柱的一部分进行降温，使得分析物可以在第一根色谱柱出口处的一小段区域内被捕集。随后，分析物捕集装置从冷却的区域内快速移开，色谱柱冷却的部分被柱温箱的高温快速加热，使得被捕集的分析物释放到 ² D色谱柱上。一旦分析物被传送到 ² D色谱柱上，调制器立即返回到初始位置，并进行第二个片段的捕集。

为了防止冰积导致调制效率变差，通常在LMCS的低温捕集装置和毛细管色谱柱之间导入氮气。当使用液态二氧化碳进行冷却时，对于挥发性与正己烷相近的分析物，无法实现有效的捕集或调制。

LMCS是第一个重现性好、可用于常规分析的冷阱型调制器。这一调制器的优点之一是分析物的解吸可以在柱温箱温度下完成，而不需要采用更高的温度。这一技术主要的缺点是使用液态二氧化碳作为冷凝介质，其温度大约为-70℃，不足以有效地捕集挥发性较强的化合物。

Beens等发明了另一种冷阱型调制器，同样使用液态二氧化碳聚焦分析物，但是并不需要使用机械移动的部件，这种调制器被称为双级液态二氧化碳冷阱型调制器。在实际使用中，为了捕集和聚焦每个连续的片段，对毛细管的两端直接进行交替降温，然后通过周围柱温箱的空气使其聚焦的片段再次移动。这一调制过程发生在 ² D最开始的几厘米处，通过将二氧化碳直接喷射到毛细管色谱上来降低温度。

图3-7展示了这种调制器的工作原理。首先，从 ¹ D馏出的化合物被捕集并聚焦在 ² D色谱柱开头的低温区域内。在第二步中，通过停止降温，这一片段再次移动并以窄脉冲的形式进样到 ² D中。同时，从 ¹ D色谱柱中不断馏出的化合物被暂时中止以避免与进样的窄区带发生干扰。最后，这一循环再次开始。两个二氧化碳喷射口交替循环，在整个分析过程中不断重复， P _M 一般在2~8 s，调制时间是上述两个步骤的时间总和。

Adahchour等在2003年简化了这种调制器，改由单一喷射口进行调制。这一改进的最大的优点在于使得仪器构造变得更加简单，而缺点主要是只有一个捕集区域，因此必须优化流速后才可以获得合适的聚焦效果。使用液态二氧化碳的冷阱型调制器最大的缺点是无法有效捕集挥发性化合物，如苯或丁二烯。这一缺陷可以通过使用液氮进行调制，以降低捕集温度来克服。

2000年，Ledford和Billesbach发表了另外一种改进后的二氧化碳喷射冷阱型调制器——四喷射双级调制器（the quad-jet dual-stage modulator）。这种调制器在工作时，冷喷射口持续喷射，同时使用电磁阀将热气流脉冲喷射到调制管上，从而获得双级热调制，而不需要任何移动的部件。 ² D色谱柱置于第二个柱温箱内，可以进行独立于主柱温箱的温度控制。

三年后，Pursch等对这一调制器进行了改进，将冷凝聚焦使用的二氧化碳改成了液氮。他们的研究成果表明，对于挥发性强的化合物，如丙烷和丁烷等，调制效率大大提高。这一调制器的设计如图3-8所示。

随后，Zoex公司对Ledford和Billesbach的调制器进行了改进和商品化，改进后的调制器可以使用液氮作为冷凝流体。LECO公司设计了自己的四喷射双级液氮调制器和第二个柱温箱，在Zoex公司的许可下，用于GC×GC ToF MS系统。

Ledford等进一步改进了Zoex的系统，设计了一个环式调制器。环式调制器是一个双级热调制器，使用热和冷气流喷射口。将一段毛细管柱绕成环，通过单个冷喷口，从而形成两级。两个冷却点之间的部分毛细管柱叫做延迟环。如图3-9所示，当冷却点形成时关闭热喷口，然后打开热喷口来抑制永久性的冷喷口，从而释放被捕集的分析物。

从 ¹ D色谱柱馏出的物质首先由冷喷口捕集，然后由热喷口快速加热后释放到延迟环。当物质穿过延迟环时，冷喷口再一次进行喷射，物质在延迟环最后部位由同一个冷喷口再次捕集。热喷射口的下一次喷射在 ² D释放尖锐的化学脉冲，同时让下一个脉冲进入延迟环。在设定 P _M 时，必须考虑到环的长度和载气流速，如果设置不合理可能对聚焦产生影响。与双喷射系统相比，这种环式调制器具有冷凝流体消耗少的优点。但是需要对延迟环等相关参数进行调节和优化以保证获得最优调制。根据文献报道，该系统冷喷口温度低至-180℃，能够调制含碳数目从2到55的化合物。这一调制器与大部分经典GC柱温箱都兼容，已经商品化。随后，Zoex公司进一步改进了这个系统，通过使用闭环冷冻技术（closed-cycle cryo-refrigeration）可完全避免使用液氮，冷喷口温度低至-90℃，可调制碳数大于7的挥发性和半挥发性化合物。

密歇根大学报道的调制器核心部件安装于柱温箱内，将金属毛细管浸泡在被制冷机循环冷却的聚乙二醇液态腔体里来完成调制过程。随后这种通过制冷机形成充足冷量的技术方案被Zoex等公司纷纷采用和改进，并形成了商业化的不使用液氮的喷嘴式热调制器。但是，这些调制器仍然需要消耗大量的用于热交换的干燥的氮气或空气，并没有真正将GC×GC技术从一种高端实验室或研究机构中使用的技术推广到更大应用领域。

滑铁卢大学报道的调制器核心部件最初安装于柱温箱外，并利用蜗旋管冷却技术来完成调制。蜗旋管需要消耗大量的压缩空气，因此一般也只能在实验室中使用。随后，改进的调制器核心部件重新安装于柱温箱内，并利用一端伸出炉膛的导热铜块来实现风冷降温。这项改进终于实现了不消耗任何制冷剂的目标。但是调制范围也受到了限制，尤其是低沸点的化合物。

无论哪种技术，只要采用不锈钢色谱柱作为调制柱，就必须同时解决电接触并避免在接触点产生冷点，这样才能保证色谱正常运行。然而。这两点往往是矛盾的。因此可以看到上述两个团队最终还是选择了直接或间接在柱温箱内完成调制全过程，并在其他方面做出了牺牲。另外，不锈钢本身比熔融石英的热质量大了近4倍，因此在没有强制冷的条件下，降温速度很慢，例如滑铁卢大学的调制器，调制周期无法做到4 s以下。然而，目前GC×GC的运行趋势是将调制周期优化在2 s到4 s之间，从而更好地保持 ¹ D的分离效果并节省分析时间。最后，不锈钢色谱调制柱必须具有不同膜厚的固定相才能完成对相应沸点范围化合物的调制，但是因其固定方式对良好电接触的要求，更换起来并不方便。综上所述，采用不锈钢色谱柱电阻加热的调制器目前还有很多技术问题没有解决，在短期内难有大的突破，目前只停留在研究阶段，尚未实现商业化。

随着21世纪初微加工工艺和微机电系统（MEMS）的兴起，第一个微型固态热调制器在美国密歇根大学诞生。它在一片硅晶片上集成了微色谱柱和金属丝线，利用后者脉冲式电阻加热和一块半导体制冷元件的持续冷却完成对微色谱柱的调制。这项发明由于整体设备的热质量非常微小，从而省去了制冷剂的使用，极大简化了日常操作。但是由于其微机电系统和外部宏观尺寸的设备难以实现完美的无缝连接，实际性能并不理想。此外由于分析测试市场规模比较小，不足以降低微系统的开发制造成本。经过多年的研发，该技术始终不能商品化。

借鉴了LMCS移动式系统和微型热调制器的优势后，Guan和Xu将它们以崭新的方式结合起来，发明了一种不依赖微加工工艺但又能成功使用半导体制冷的固态热调制器（SSM）。这种调制器构建了独立的冷却与加热环节以实现柱温箱外的完全调制。由于不再需要大量制冷以抵消柱温箱加热，冷却与加热区域进一步在空间上相互隔绝，大大提升了制冷效率。这样，只依靠半导体制冷就能实现优异的调制效果，完全避免了制冷剂的使用（图3-10）。这种技术目前已经成功商品化。基于此调制器的对映体选择性GC×GC成功实现了柑橘精油中手性化合物的分离和鉴别。

3.5.2 阀调制器

阀调制器，也称为气流调制器，是利用气流变化而不是温度变化对 ¹ D馏出物进行周期性收集并再次进样到 ² D的过程。其最大的优点在于不使用复杂的温度控制器件，只需要最简单的色谱配件，因此与热调制器相比更为经济。

阀调制器主要可以分为两大类，第一类为“在线”阀系统，用一个转换阀直接与 ¹ D和 ² D色谱柱相连；第二类为“离线”阀系统，例如Deans switch系统，主要基于在两个GC维度之间压力的调节来实现调制。

Bruckner等在1998年首次提出基于阀的调制器设计。调制器接口使用加热后的六元阀的四个连接位。在这种调制器中，通过阀的制动，周期性地对 ¹ D馏出物进行取样，然后将其送到 ² D色谱柱。与热调制器相比，此类调制器灵敏度较差，因为从 ¹ D色谱柱馏出的分析物在到达 ² D色谱柱之前，只有10%~20%真正得到了捕集和再聚焦。

美国密歇根州奥克兰大学Seeley等报道了这种装置的一个替代方法，名为“差流调制”（differential flow modulation）。差流调制技术增加了一个阀样品环，同时使用六个连接位，其装置图如图3-11所示。 ¹ D流量较小，在收集阶段， ¹ D馏出物慢慢积累在样品环中。到了再次进样阶段，阀进行切换， ² D使用大流量，将样品环中的 ¹ D馏出物快速反吹进入 ² D柱。由于 ¹ D和 ² D流量相差较大（大约20倍），因此取名为差流调制器。

使用这一方法，可以对大约80%的 ¹ D色谱柱馏出物进行取样。阀式调制器最主要的优点为成本较低，其他优点包括温度差较小等。同时产生了很窄的进样谱带，因此可以用于非常快速（如1 s）的 ² D分离。这种方法的主要缺点在于色谱路径上存在了一个不能承受温度过度上升的阀。同时，为了保持较窄的 ² D色谱柱进样脉冲，需要采用非常高的载气流速将馏出物扫出阀的样品环而进入 ² D色谱柱。由于质谱中泵抽真空能力的限制，这一操作会限制阀调制器和质谱的联用。

2007年，美国安捷伦推出了革命性的微流路控制组件（CFT），其中的Dean's Switch组件将两个三通和定量环集成在一个小平板上，平板上有五个出口，而所有管路都通过微流路刻蚀在金属板上（图3-12）。Seeley等研究人员很快和安捷伦研发人员合作，将这款产品用于气流调制上。这次尝试获得了空前的成功，汽油样品调制效果非常出色。安捷伦公司很快将这套系统进行了标准化，形成了世界上第一套商业化的气流调制GC×GC产品。

在商业化的推动下，越来越多的用户开始使用气流调制技术进行GC×GC分析，产生了很多的研究成果。但是在调制过程中，总会出现基线上升的情况，即在两次释放之间，信号并没有返回到基线。在遇到浓度大的组分时或者调制时间或流量没有匹配好的情况下，这种现象特别严重，造成了非常大的拖尾，有时甚至在 ² D上产生一条竖直的条带，直接影响了同一周期内其他物质的鉴定和分析。其原因在于在释放过程中，上游方向还是有部分物质慢慢流入定量环，造成 ² D上持续进样形成拖尾或基线上升。陶氏化学的Griffith等人发明了反向捕集/释放的气流调制技术（Reverse fill/flush，RFF）（图3-13），解决了这一难题。所谓反向，就是在样品环中捕集和释放的气流方向是相反的。而原先的气流调制技术由于捕集和释放的气流方向相同，被称为正向捕集/释放气流调制技术（Forward fill/flush，FFF）。

RFF技术最大的优点就是极大减小了调制之间的基线抬高现象，对于大浓度样品的分析即使过载也不会造成明显的拖尾，从而保证了分析的精确性。定量重复性从之前的10%—20%显著提高到2%左右。

不久之后，安捷伦公司在原有平板式Dean's Switch的基础上做了改进，增加了一路特殊的补集通道定量环，推出了专用于GC×GC技术的气流调制器（Flow Modulator）（图3-14）。

2023年，Lelevic使用了一个可调谐的辅助压力源来代替了RFF中的阻尼毛细管柱，在方法优化中不再需要调节并选择合适的毛细管柱，从而使调制器灵活性更好，同时也节约了分析时间。

Harynuk和Gorecki进一步改进了阀调制器，在调制器取样之前周期性地中断 ¹ D色谱柱的载气，即止流调制（stopped flow modulation）。他们使用了一个六通阀、一根 ¹ D色谱柱、一根 ² D色谱柱以及一根类似气阻的平衡柱，如图3-15所示。这样， ² D的分离就不用兼顾 ¹ D的流出，大大增加了 ² D分离的灵活性，可以使用更长的 ² D色谱柱和 ² D分析时间，因此在不降低 ¹ D分辨率的条件下，减少了峰迂回现象，得到了更好的 ² D分离效果。

在采样/捕集阶段，样品从进样口进入 ¹ D柱进行分析。在停止/释放阶段，六通阀转动，将 ¹ D柱的进口和出口联通，这样 ¹ D分析就暂时停止了，而载气通过阻尼平衡柱后将 ¹ D馏出的样品在 ² D继续分离。然而由于 ¹ D和 ² D的流量接近，GC×GC过程没有压缩和聚焦，因此峰宽较宽。Harynuk和Gorecki在 ¹ D色谱柱末尾额外使用了一个冷阱对 ¹ D馏出物进行冷却富集，在 ² D分离时利用电加热进行快速释放，得到了非常窄的峰宽（~40 ms）。这一方法对实际的汽油样品达到了基本的族类分离。

VICI公司的蔡博士提出了一种更简单且高效的方式实现止流调制。其方式类似于Harynuk和Gorecki最初提出的方案，不过省略了平衡柱，这样 ² D流量可以极大提高。该研究对于实际汽油和柴油样品的分析也展现非常好的分离效果。另外，由于止流调制完全不受 ¹ D分析的影响（ ² D分析时 ¹ D静止），理论上可以使用很长的 ² D柱来提高 ² D分离度。比如蔡博士使用了一段30m的 ² D柱，调制周期达到了15s。这样，原来在 ² D上也很难分离的物质（比如一些烷烃烯烃和环烷烃）也可以得到较好分离。

我国的雪景科技公司研发的GC×GC调制器，即通过采用准止流技术，周期性地将进样口直接连通到 ² D色谱柱，（近似）停止 ¹ D流动并产生较大的 ² D流量，将 ¹ D馏出物快速释放至 ² D，实现调制效果。其原理如图3-16所示。

这种调制器不需要额外的辅助设备，不使用制冷剂，调制范围较宽（C1~C60），调制范围主要受到色谱柱系统使用温度的限制。

阀调制器曾经在GC×GC发展历史上产生重大的影响，很多专家学者也为阀调制技术的进步做出了很大的贡献，极大地推动了GC×GC的发展和进步。不过，与热调制技术的广泛关注和应用相比，阀调制技术的发展显得稍微有些波澜不惊，商业化的产品也非常有限，即使商业化了，也是一个非常不起眼的边缘化产品。最近几年，才陆续有更多商业化的阀调制器上市。当然，阀调制技术自有的一些缺点和不足也限制了其应用和推广。不过，阀调制器还是有一些相当显著的特色，在某些特定的领域比热调制器更具有优势。

至今，对于GC×GC分离，结合已研发的较为成熟的调制器，和不同的色谱柱组合，很难为所有分离找到最佳的统一方案。喷射-冷却系统，与移动加热调制器系统相比，具有明显的优点。例如，可以使用GC色谱柱的全部温度范围，不需要考虑潜在的固定相过热问题。此外，由于使用降温的方式，调制可以在任何馏出温度下进行，因此在 ¹ D可以使用非常长的色谱柱。当分析的化合物沸点较高时，则更倾向于将冷阱型调制器和高温下较稳定的色谱柱固定相。对于挥发性化合物的分析，阀调制器或使用液氮的冷阱型调制器更为合适。 NupuLcXVZwdJKGji9C7ARL4+iSDQjfsia3YE2NZ0joewmCqZWVvPvYCHVwPD8UC2